面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的短距離無線接入技術(shù)

劉蔚

（湖南現(xiàn)代物流職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410131）

1 短距離無線通信技術(shù)闡釋

當(dāng)前，最常見的近距離無線通信技術(shù)包括ZigBee、藍(lán)牙、紅外、近場通信與Wifi，根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)與屬性，選擇ZigBee 作為無線通信技術(shù)發(fā)展的主要參考依據(jù)。在眾多短距離無線通信技術(shù)中，藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)與語音的能力最為可靠，而且能夠?qū)崿F(xiàn)一對多和一對一通信目標(biāo)。對于近場通信，可在設(shè)定距離與頻譜中對不同速率進(jìn)行設(shè)計。NFC 主要優(yōu)勢就是距離短且能耗低，可自動連接并實(shí)現(xiàn)通信。而Wifi 則屬于移動設(shè)備間通信技術(shù)，在理論角度分析，具備不低于一個的接入點(diǎn)，也被稱作熱點(diǎn)，在其覆蓋范圍內(nèi)凡是具備Wifi 功能設(shè)備均可連接共享帶寬。在研究中了解到，WSN 組網(wǎng)與節(jié)點(diǎn)對通信技術(shù)在能耗方面的要求極高，所以必須選用最低能耗的短距離通信技術(shù)[1]。其中，ZigBee 通信協(xié)議制定無線通信標(biāo)準(zhǔn)，以IEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并且被當(dāng)做通信協(xié)議定義切入點(diǎn)，使得不同設(shè)備結(jié)合協(xié)議需求制造同種兼容。而且，ZigBee 在眾多短距離無線通信技術(shù)中的功耗低，能夠滿足WSN 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕疽?，所以選擇ZigBee 最佳。

2 面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的短距離無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

以上針對多種短距離無線通信技術(shù)展開了相關(guān)性闡釋，并得出ZigBee 技術(shù)的優(yōu)勢與價值。以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，對短距離無線傳輸系統(tǒng)加以設(shè)計十分有必要，可為生態(tài)環(huán)境污染的監(jiān)測提供必要幫助。

2.1 硬件設(shè)計

此系統(tǒng)的硬件平臺是Altium Designer13，含括了信號處理和仿真等多種功能。

2.1.1 微處理模塊的設(shè)計

在我國，低功能標(biāo)準(zhǔn)備受推崇，伴隨電池供電產(chǎn)品需求的不斷增加，以及綠色能源技術(shù)發(fā)展等多種因素影響，各領(lǐng)域?qū)τ诠牡囊蟾訃?yán)格[2]。為此，在此設(shè)計中，主芯片選擇使用STM32L151，其功耗極低系統(tǒng)整體設(shè)計架構(gòu)如圖1 所示。

在此設(shè)計中，STM32 主控芯片的引腳數(shù)量為64，為保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且正常，需要在芯片周邊對電源電路和時鐘電路加以設(shè)計，進(jìn)而發(fā)揮輔助作用。

圖1 節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計圖示

其一，實(shí)時時鐘。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測中，為確保實(shí)時同步，需要選用8MHz 的晶體振蕩器，且兩端分別和芯片當(dāng)中的X1 與X2引腳進(jìn)行連接。在實(shí)時時鐘中，其芯片可產(chǎn)生6 個時標(biāo)，且有效期為2100 年[3]。當(dāng)主工作電源掉電的狀態(tài)下，芯片的時鐘保護(hù)電路與備份電源間可自主切換電路。而在線片內(nèi)含括了靜態(tài)RAM，字節(jié)為31，可更好地存儲關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)。STM32L151 芯片在電路設(shè)計方面相對簡單，可在同步串行的基礎(chǔ)上，確保單片機(jī)與芯片接口有效通信，只要利用串行數(shù)據(jù)、復(fù)位以及串行時鐘就能夠完成操作。

其二，電源電路。在電源模塊中可包括兩部分：a.24V 電壓向5V 電壓的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換期間，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可借助VRB2405ZP-6W 予以實(shí)現(xiàn)；b.5V 電壓向3.3V 電壓的轉(zhuǎn)換。在電源模塊內(nèi)，24V 電壓向5V 電壓成功轉(zhuǎn)換以后，協(xié)調(diào)器通信芯片與傳感器節(jié)點(diǎn)模擬開關(guān)即可提供5V 的電壓。在24V 電壓連接后，對C3和C4電容進(jìn)行并聯(lián)處理，即可確保電壓輸入的穩(wěn)定性，而C3電容的功能是對低頻波的過濾，C4電容的功能是過濾處理高頻波，在兩電容共同作用之下，可增強(qiáng)24V 電壓輸入的穩(wěn)定性[4]。

對于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的各模塊，需選擇3.3V 電壓。所以，5V電壓向3.3V 轉(zhuǎn)變時可通過SPX1117 完成。而輸出端和C7、C8電容能夠使電壓更加穩(wěn)定，將干擾信號有效過濾掉。

2.1.2 SIM900B 模塊設(shè)計

SIM900B 的功能是傳輸數(shù)據(jù)，可對多版本產(chǎn)品有效兼容，具備四頻段GSM 模塊，可以集成TCP/IP 協(xié)議棧，確保IP 傳輸數(shù)據(jù)的有效固定。在系統(tǒng)協(xié)調(diào)器中應(yīng)用，并且將工作電壓設(shè)定在3.2-4.8V 范圍內(nèi)。在GPRS 多時隙中，可劃分成信道10/8，且低功耗可達(dá)到1 毫安。在設(shè)計此模塊電路的時候，SIM900B 選擇了4.2V 單電源供電，而在芯片內(nèi)部有8 個VBAT 引腳，并且連接了VCC4.2[5]。要想使 的供電電壓穩(wěn)定，可對 穩(wěn)壓器進(jìn)行使用，借助其線性降壓功能，將電源的輸入值設(shè)定成5V，電源的輸出值設(shè)定成4.2V，在輸出電壓和VBAT 連接的基礎(chǔ)上，增加設(shè)置旁路電容，將容量控制在100μF。

2.1.3 ZICM2410 模塊設(shè)計

研究中，選擇使用ZICM2410 模塊芯片將其當(dāng)成ZigBee 模塊核心芯片，其中含括射頻通道16 條、無障礙傳輸3000 英尺、8位ADC 有4 路，實(shí)際工作溫度為-40.5-85 攝氏度之間，保存的溫度在-55-125 攝氏度之間。當(dāng)電壓處于2.1-3.3V 之間時，芯片運(yùn)行狀態(tài)正常，與大部分應(yīng)用的要求吻合。對于ZICM2410 芯片而言，其內(nèi)部為射頻通訊的集成，僅需添加部分外圍電路與信號，即可使得芯片被驅(qū)動并正常運(yùn)行。

2.2 軟件設(shè)計

在系統(tǒng)監(jiān)測環(huán)境的過程中，選擇校園南部小樹林，在其中部署特定數(shù)量的傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，而各節(jié)點(diǎn)均應(yīng)用ZigBee 技術(shù)，在一跳方法的作用下即可和協(xié)調(diào)器通信。而協(xié)調(diào)器能夠?qū)⑹占降男畔⑼ㄟ^GSM/GPRS 方法向遠(yuǎn)程管理中心傳送。此中心主要由三部分組成，即RS485 轉(zhuǎn)232 串口、電腦PC 以及支持GSM/GPRS 通訊接收設(shè)備。在遠(yuǎn)程管理中心的接收設(shè)備對協(xié)調(diào)器發(fā)布數(shù)據(jù)接收以后，即可通過RS485 轉(zhuǎn)232 串口設(shè)備向PC端傳送數(shù)據(jù)信息。

2.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

在此設(shè)計中，節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖2 所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件的操作流程

根據(jù)圖2 可知，灰色框?yàn)閡C/OS-H 執(zhí)行的任務(wù)，而白色框是用戶任務(wù)。在灰色框的內(nèi)部，函數(shù)表示的是交管理權(quán)限微處理器，借此完成操作任務(wù)。

2.2.2 溫濕度采集模塊的設(shè)計

此模塊一般對環(huán)境溫濕度采集的傳感器中運(yùn)用，即SHT11。AD 轉(zhuǎn)換器有14 位，同時含括串行數(shù)據(jù)傳輸接口。其中，微處理器能夠?qū)鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)化控制，對環(huán)境數(shù)據(jù)數(shù)值進(jìn)行讀取。在傳感器上電開啟以后，需將命令發(fā)送給傳感器，進(jìn)而對工作加以控制。隨后，微處理器在DATA 和SCK 引腳的作用下，即可將啟動傳輸時序向傳感器傳輸，對原則微處理器控制命令進(jìn)行等待。當(dāng)微處理器接收到傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以后，就能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行及時接收。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)軟件與硬件的性能會對系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性產(chǎn)生直接影響，并且利用平臺完成調(diào)試與程序下載的操作[6]。在傳感器采樣的過程中，利用1 秒間隔頻率或者是2 秒間隔頻率對不同傳感器信息加以采集，采集時間要連續(xù)超過24 小時，對LCS顯示數(shù)據(jù)的異常情況進(jìn)行觀察。根據(jù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采樣狀態(tài)正常，且數(shù)據(jù)十分可靠。在測試人機(jī)操作界面的時候，對相關(guān)按鍵菜單進(jìn)行重復(fù)性操作，對不同系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對程序跑死情況加以查看。根據(jù)測試的結(jié)果了解到，程序在運(yùn)行狀態(tài)下沒有錯誤和死機(jī)的情況。在測試通訊程序的時候，借助串口調(diào)試工具，借助1 秒間隔頻率發(fā)送命令，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)返回的及時性進(jìn)行查看，了解返回數(shù)據(jù)的正確與否。與此同時，對不同波特率進(jìn)行設(shè)計，了解通訊正常與否。根據(jù)測試的結(jié)果了解到，系統(tǒng)的通信功能處于正常狀態(tài)。

結(jié)束語

綜上所述，伴隨當(dāng)前全球生態(tài)環(huán)境污染程度的不斷加劇，對人民群眾的日常生活產(chǎn)生了直接影響，同樣也困擾其身心健康。在這種情況下，以ZigBee 為基礎(chǔ)對面向物聯(lián)網(wǎng)的短距離無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)化設(shè)計，即可對以上問題加以解決。這樣一來，即可結(jié)合各模塊功能合理化地設(shè)計硬件與軟件，進(jìn)而為環(huán)境監(jiān)測工作的開展提供必要幫助。